Приклади розв’язування задач з матеріалознавства

Загартування доевтектоїдної сталі полягає в нагріванні сталі до температури вище критичної (Ас3), у витримці та подальшому охолодженні зі швидкістю, що перевищує критичну.

Температура точки Ас3 для сталі становить 40 790°С.

Рисунок 5 – Фрагмент діаграми залізо-вуглець

Доевтектоїдні сталі для загартування слід нагрівати до температури на 30-50 ° С вище за Ас3.

Таким чином, вищі експлуатаційні властивості матиме деталь, загартована від температури 830°С.

Одним із технологічних процесів зміцнюючої обробки є термомеханічна обробка (ТМО).

Термомеханічна обробка відноситься до комбінованих способів зміни будови та властивостей матеріалів.

При термомеханічній обробці поєднуються пластична деформація та термічна обробка (загартування попередньо деформованої сталі в аустенітному стані).

Перевагою термомеханічної обробки є те, що при суттєвому збільшенні міцності характеристики пластичності знижуються незначно, а ударна в'язкість вища в 1,5...2 рази в порівнянні з ударною в'язкістю для тієї ж сталі після гарту з низькою відпусткою.

Залежно від температури, за якої проводять деформацію, розрізняють високотемпературну термомеханічну обробку (ВТМО) і низькотемпературну термомеханічну обробку (НТМО).

Рисунок 4 – Схема режимів низькотемпературноїтермомеханічної обробки сталі

Низькотемпературна термомеханічна обробка, хоч і дає більш високе зміцнення, але не знижує схильності сталі до відпускної крихкості. Крім того, вона вимагає високих ступенів деформації (75…95 %), тому потрібне потужне обладнання.

Механічні властивості після різних видів ТМО для машинобудівних сталей у середньому мають такі характеристики (див. таблицю 1):

Таблиця 1 – Механічні властивості сталей після ТМО

Викресліть діаграму стану залізо – карбід заліза, вкажіть структурні складові у всіх галузях діаграми, опишіть перетворення та побудуйте криву охолодження (із застосуванням правила фаз) для сплаву, що містить 1,0% С. Яка структура цього сплаву при кімнатній температурі і як такий сплав називається ?

Первинна кристалізація сплавів системи залізо-вуглець починається після досягнення температур, відповідних лінії ABCD (лінії ліквідус), і закінчується при температурах, що утворюють лінію AHJECF (лінію солідус).

При температурах, відповідних лінії ВС, рідкого розчину кристалізується аустеніт. У сплавах, що містять від 4,3% до 6,67% вуглецю, при температурах, відповідних лінії CD, починають виділятися кристали цементиту первинного. Цементит, що кристалізується з рідкої фази, називається первинним. В точці С при температурі 1147°С і концентрації вуглецю в рідкому розчині 4,3 % утворюється евтектика, яка називається ледебуритом. Евтектичне перетворення із заснуванням ледебуриту можна записати форму лой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процес первинної кристалізації чавунів закінчується по лінії ECF утворенням ледебуриту.

Таким чином, структура чавунів нижче 1147°С буде: доевтектичних — аустеніт+ледебурит, евтектичних —ледебурит та заевтектичний — цементит (первинний)+ледебурит.

Перетворення, що відбуваються у твердому стані, називаються вторинною кристалізацією. Вони пов'язані з переходом при охолодженні γ-заліза в α-залізо і розпад аустеніту.

Лінія GS відповідає температурам початку перетворення аустеніту на ферит. Нижче лінії GS сплави складаються з фериту та аустеніту.

Лінія Е S показує температури початку виділення цементиту з аустеніту внаслідок зменшення розчинності вуглецю в аустеніті зі зниженням температури. Цементит, що виділяється з аустеніту, називається вторинним цементитом.

У точці S при температурі 727°З концентрації вуглецю в аустеніті 0,8% утворюється евтектоїдна суміш, що складається з фериту і цементиту, яка називається перлітом. Перліт виходить внаслідок одночасного випадання з аустеніту частинок фериту та цементиту. Процес перетворення аустеніту на перліт можна записати формулою А0,8П [Ф0,03 + Ц6,67].

Лінія PQ вказує на зменшення розчинності вуглецю у фериті при охолодженні та виділенні цементиту, який називається третинним цементитом.

Отже, сплави, що містять менше 0,008% вуглецю (точка Q), є однофазними та мають структуру чистого фериту, а сплави, що містять вуглець від 0,008 до 0,03% – структуру ферит+цементит третинний і називаються технічним залізом.

Доевтектоїдні сталі при температурі нижче 727ºС мають структуру ферит+перліт та заевтектоїдні – перліт+цементит вторинний у вигляді сітки по межах зерен.

У доевтектичних чавунах в інтервалі температур 1147-727 С при охолодженні з аустеніту виділяється вторинний цементит, внаслідок зменшення розчинності вуглецю (лінія ES). Після досягнення температури 727ºС (лінія PSK) аустеніт, збіднений вуглецем до0,8% (точка S), перетворюючись на перліт. Таким чином, після остаточного охолодження структура доевтектичних чавунів складається з перліту, вторинного цементиту і ледебуриту перетвореного (перліт+цементит).

Структура евтектичних чавунів при температурах нижче 727ºС складається з ледебуриту перетвореного. Заевтектичний чавун при температурах нижче 727ºС складається з ледебуриту перетвореного та первинного цементиту.

Правило фаз встановлює залежність між числом ступенів свободи, числом компонентів та числом фаз і виражається рівнянням:

де С - Число ступенів свободи системи;

К – число компонентів, що утворюють систему;

1 – число зовнішніх факторів (зовнішнім фактором вважаємо лише температуру, оскільки тиск за винятком дуже високого мало впливає на фазову рівновагу сплавів у твердому та рідкому станах);

Ф – число фаз, що у рівновазі.

Сплав заліза з вуглецем, що містить 1,0%С, називається заевтектоїдною сталлю. Його структура за кімнатної температури – Цементит (вторинний) + Перліт.

Малюнок 3: а - діаграма залізо-цементит, б -крива охолодження для сплаву, що містить 1,0% вуглецю

У чому сутність та призначення дробоструминної обробки?

Підвищення довговічності деталей машин методом поверхневого пластичного деформування (ППД) або поверхневого наклепу широко використовується в промисловості для підвищення опірності малоциклової та багатоциклової втоми деталей машин.

Поверхневе зміцненнядробоструминною наклепом досягається за рахунок кінетичної енергії потоку чавунного або сталевого дробу; потік дробу на оброблювану поверхню спрямовується або швидкісним потоком повітря, або роторним дробомета.

Наклеп – змінаструктури та властивостей металевого матеріалу, викликане пластичною деформацією. Наклеп знижує пластичність і ударну в'язкість, але збільшує межу пропорційність, межу плинності та твердість. Наклеп знижує опір матеріалу деформації протилежного знака. При поверхневому наклеп змінюється залишковий напружений стан у матеріалі і підвищується його втомна міцність. Наклеп виникає при обробці металів тиском (прокатка, волочіння, кування, штампування), різанням, при обкатуванні роликами, при спеціальній обробці дробом.

Зміцнення металу в процесі пластичної деформації пояснюється збільшенням числа дефектів кристалічної будови (дислокацій, вакансій, міжузельних атомів). Підвищення щільності дефектів кристалічної будови ускладнює рух окремих нових дислокацій, а отже, підвищує опір деформації та зменшує пластичність. Найбільше значення має збільшення щільності дислокацій, так як взаємодія, що при цьому між ними, гальмує подальше їх переміщення.

а - дробоструминна зміцнююча обробка; б – чистова обробка – обкатуємо кулею; в - обробка дорнованням; г – відцентрово-кулькова чистова обробка; д - обробка карбуванням; е – зміцнення вибухом; ж - зміцнення віброобкатуванням; з – алмазне вигладжування

Малюнок 2 – Схеми поверхневої пластичної деформації

Поверхневе зміцнення досягається:

1) дробоструминною наклепом зарахунок кінетичної енергії потоку чавунного або сталевого дробу; потік дробу на оброблювану поверхню спрямовується або швидкісним потоком повітря, або роторним дробомета (рис. 2, а);

2) відцентрово-кульковою наклепом за рахунок кінетичної енергії сталевих кульок (роликів), розташованих на периферії диска, що обертається; при обертанні диска під дією відцентрової сили кульки відкидаються до периферії обода, взаємодіють з оброблюваною поверхнею і відкидаються в глиб гнізда;

3) накочуємо сталевою кулькою або роликом (60 HRC) (рис. 2, б); передача навантаження на ролик може бути з жорстким та пружним контактом між інструментом та оброблюваною поверхнею;

4) алмазним вигладжуванням оправкою з впаєним у робочій частині алмазом (рис. 2, з); воно дозволяє отримувати блискучу поверхню з малою шорсткістю.